Science：天然矿物在带电水微滴中自发风化形成纳米材料

一、 【科学背景】

在垂直节理发育的红色砂岩地区的丹霞地貌，片岩地区常见的梳状地形和花岗岩区的石蛋地形等。这些在地球上存在这的不同风格的地貌，都是由于自然风化形成的。其形态与岩石性质、地层产状以及地质构造发育程度有很密切的关系。在自然环境中，矿物的风化是一个缓慢而持续的过程，对于土壤的形成和地球化学循环具有重要意义。这一过程通常需要经历长久的时间，随着近年来纳米技术的兴起，科学家们开始探索一种更快速的方式来促进矿物的风化，以期在更短的时间内形成纳米级别的矿物颗粒。这一探索不仅对理解自然界中风化过程的机制具有重要意义，也为纳米材料的合成提供新的途径。印度理工学院化学系Thalappil Pradeep团队，揭示了一种新颖的矿物风化机制：在带电的水微滴中，常见矿物如石英和红宝石能够在毫秒级时间内自发分解形成纳米粒子。相关研究成果以“Spontaneous weathering of natural minerals in charged water microdroplets forms nanomaterials”为题目发表在国际顶级期刊Science上。

二、【科学贡献】

当集成到通过电喷雾产生的水性微滴中时，将石英和红宝石等微米级的天然矿物转化为 5 至 10 纳米的颗粒。将液滴沉积在基底上，从而可以对纳米粒子进行表征。通过模拟确定石英会经历质子引起的滑移，特别是当尺寸减小并暴露于电场时。这导致颗粒分裂和硅酸盐碎片的形成，通过质谱证实了这一点。

图1天然石英在微滴中的分解过程。© 2024 Science

图2 天然和合成氧化铝在微滴中的分解过程。© 2024 Science

图3通过第一原理模拟观察裂解和表面重构过程。© 2024 Science

图4堆叠断层或滑移局部位于 (010) 平面。© 2024 Science

图5二氧化硅样品的质谱图。© 2024 Science

三、【 创新点】

1．通过电喷雾技术生成含矿物的微水滴，将其沉积在基底上进行纳米粒子的表征。

2.通过模拟和质谱分析，研究者发现石英在电场作用下，由于质子诱导的滑移效应，特别是在尺寸减小的情况下，会发生颗粒断裂，形成硅酸盐碎片。

四、【 科学启迪】

在实验中，制备了天然石英（SiO₂）和红宝石（Cr-取代的 Al₂O₃）的微米级颗粒，供电喷雾装置使用。研究团队通过电喷雾技术生成含矿物的微水滴，并将其沉积在基底上进行纳米粒子的表征。正如已经证明的情况，在适当的条件下，电喷雾微滴可以击碎坚硬的颗粒。研究突显了带电微滴在前所未有的风化过程中的作用。矿物的解体产生了新生表面，这些表面可能参与了催化反应，在活性物种存在的情况下导致水滴中发生新的化学转化。该研究的创新之处在于揭示了带电水微滴在矿物风化中的关键作用，这一发现可能对土壤形成和大气中的带电气溶胶的地球化学过程产生深远影响。大气中的水滴，如云和雾，不仅会因为其内部存在的离子物种而带电，还会因为接触带电而带电。“微液滴雨”由落在地球上的纳米粒子和分子组成，可能对地球的化学和生物进化具有重要意义。

原文详情：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adl3364